초소형 광집적회로 개발…크기 줄고 속도 높였다

광컴퓨터·초소형 광통신에 적합

[아시아경제 정종오 기자]국내연구진이 전기로 구동되는 가장 작은 크기의 광집적회로를 개발됐다. 크기는 줄고 속도는 높였다. 앞으로 광컴퓨터, 초고속 정보처리 소자, 초소형 광통신 등에 들어갈 나노미터 수준의 광집적회로 구현이 가능할 것으로 기대된다. 광집적회로는 전자 신호대신에 광신호로 연산처리 등을 수행하는 소자로 광컴퓨터용 미래 소자로 주목받고 있다.

현재 일반적인 반도체 기반 전자소자·회로의 경우 크기는 수십 나노미터 이하인 반면 속도는 10㎓를 넘기 어려웠다. 반면 광소자의 경우 100㎓에 달하는 높은 속도를 얻을 수 있는데 기본 크기가 수백 나노미터에 달한다. 이런 두개의 단점을 이번에 극복한 것이다.

기존 반도체 기반 전자소자는 수십 나노미터 이하로 소형화할 수는 있지만 신호처리 속도에는 한계가 있었다. 많은 연구자들이 전자소자 보다 10배 빠른 처리속도(100GHz)가 가능한 광소자가 이를 대체할 것으로 예상했지만 기존 유전체 기반의 광소자는 파장보다 작은 영역에 빛을 가둘 수 없어 전자소자처럼 작게 만들 수 없는 것이 한계였다.

연구팀은 이번 연구를 통해 표면 플라즈몬 광도파로를 기반으로 광신호를 빛의 파장보다 훨씬 작은 공간에서 자유롭게 조작할 수 있는 광집적회로(단면 80x150㎚2)를 구현하는데 성공한 것이다. 표면 플라즈몬은 유전체와 금속 경계면을 따라 존재하는 금속 자유전자의 진동으로 금속 표면에 강하게 집속된 전기장을 형성한다. 광도파로는 광섬유처럼 빛을 특정 공간 내에 가두어 전달하는 소자이다.

이번에 개발된 광집적회로는 지금까지 보고된 광집적회로들 가운데 가장 작은 것으로 광소자의 빠른 처리속도와 전자소자 수준의 소형화를 동시에 구현할 수 있다. 표면 플라즈몬을 이용하는 광소자는 파장보다 10배 이상 작은 수십 나노미터 영역에 빛을 가두거나 조작할 수 있어 고집적, 고성능 광전자소자는 물론 고효율 발광다이오드, 태양전지, 바이오센서 등의 구현에 많은 주목받아 왔다.

연구팀은 광도파로에 빛을 발생시키는 물질을 직접 결합시키고 표면 플라즈몬을 매개하는 금속 구조를 전류 주입을 위한 전극으로 동시에 이용하는 방식으로 크기를 최소화시켰다.

이번 연구는 KAIST 물리학과 서민교 교수(교신저자)와 미국 스탠퍼드대 재료공학과 마크 브롱거스마(Mark L. Brongersma) 교수(교신저자), 케빈 후앙(Kevin C. Y. Huang) 박사(공동 제1저자)가 주도했다. 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업과 기초연구실육성사업의 지원으로 이뤄졌다. 연구결과는 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지 온라인판 2월 23일자(논문명 Electrically driven subwavelength optical nanocircuits)에 발표됐다.

서 교수는 "개발된 전기 구동 표면 플라즈몬 광집적회로는 광소자의 집적도를 크게 높인 것이 성과"라며 "앞으로 초고속, 초고집적 표면 플라즈몬 변조기와 검출기 개발 등을 통해 광컴퓨터 개발에 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것"이라고 말했다.